第01讲：数字系统硬件设计概述

数字系统的VHDL设计通信工程学院郭杰北校区科技楼B-501E-mail:jguo@TelQ:1600273298课程信息20+20学时成绩

--平时成绩

--实验部分

--设计报告先修课程

--模拟电子线路

--数字电路与逻辑设计

--专用集成电路设计等EDA工具软件

--ISE,ModelSim,Synplify等硬件实验平台

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Xilinx-Spartan3E实验开发

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Xilinx-DigilentBasys2实验开发教材信息侯伯亨,刘凯,顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计(第三版),西安:西安电子科技大学出版社,2009.参考资料学习网站

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/bbs参考书目--VHDL大学实用教程,乔庐峰等译,北京:电子工业出版社,2011.--VHDL嵌入式数字系统设计教程,夏宇闻等译,北京:北京航空航天大学,2011.课程内容“数字系统的VHDL设计”组合逻辑电路时序逻辑电路数字系统ASICFPGAVHDL语言使用VHDL语言在FPGA平台上进行数字系统设计课程内容常用缩略语举例EDA

ElectronicDesignAutomationHDL

HardwareDescriptionLanguageVHSIC

VeryHighSpeedIntegrated

CircuitVHDL

VHSICHDLASIC

ApplicationSpecificIntegrated

Circuit

FPGA

FieldProgrammableGateArray

现场可编程门阵列CPLD

ComplexProgrammableLogicDevice

复杂可编程逻辑器件SoC

SystemonChip课程内容数字系统硬件设计概述VHDL语言FPGA设计基础数字系统设计(VHDL+FPGA)课程目标掌握VHDL语言熟悉EDA设计工具了解FPGA的相关知识学会基于FPGA平台的数字系统设计VHDL语言所谓硬件描述语言(HDL,HardwareDescriptionLanguage)，就是可以描述硬件电路功能、信号连接关系及定时关系语言。它能比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。

VHDL语言VHDL的发展史

美国国防部在上个世纪70年代末和80年代初提出的VeryHighSpeedIntegratedCircuit,VHSIC计划的产物。1981年提出了一种新的硬件描述语言，简称为VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage)。VerilogHDL的发展史

GatewayDesignAutomation公司于1983年创建的仿真与验证工具，之后又陆续开发了相关的故障仿真与时序分析工具，这是在C语言基础上发展起来的一种硬件描述语言。1989年Cadence公司收购GDA公司并促进了VerilogHDL的发展。VHDL语言VHDL的标准化1987年12月VHDL被接纳为IEEEstd-1076-1987标准，一般称为VHDL’87。1993年进一步修订，形成IEEEstd-1076-1993标准，称为VHDL’93。随后又经过陆续修订，形成IEEEstd-1076-2002、IEEEstd-1076-2008等标准。VerilogHDL的标准化1990年Cadence公司公开发表VerilogHDL，并成立OVI组织促进其发展。1995年VerilogHDL成为IEEE标准，即IEEEstd-1364-1995。随后又经过陆续修订，形成IEEEstd-1364-2001、IEEEstd-1364-2005等标准。EDA设计工具EDA(ElectronicDesignAutomation)即电子设计自动化。EDA技术指的是以计算机硬件和系统软件为基本工作平台，继承和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制成的商品化通用支撑软件和应用软件包。EDA旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB(PrintedCircuitBoard,印刷电路板)的自动设计。与早期的电子CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高，功能更完善，运行速度更快，而且操作界面友好，有良好的数据开放性和互换性，即不同厂商的EDA软件可相互兼容。因此，EDA技术很快在世界各大公司、企业和科研单位得到了广泛应用，并已成为衡量一个国家电子技术发展水平的重要标志。EDA设计工具传统的数字系统设计只能对电路板进行设计，把所需的具有固定功能的标准集成电路像积木块一样堆积于电路板上，通过设计电路板来实现系统功能。利用EDA工具，采用可编程器件，通过设计芯片来实现系统功能，这样不仅可以通过芯片设计实现多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率；同时基于芯片的设计可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。这种基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。现在，只要拥有一台计算机、一套相应的EDA软件和空白的可编程逻辑器件芯片，在实验室里就可以完成数字系统的设计和生产。当今的数字系统设计已经离不开可编程逻辑器件和EDA设计工具。数字系统设计概述什么是数字系统？数字系统的基本组成传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法什么是数字系统？数字系统是用来处理逻辑信息或以数字形式表示的物理量的电子器件组合。数字系统设计概述什么是数字系统？数字系统的基本组成传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法数字系统的基本组成控制电路运算电路应答信号控制信号输入输出接口数据输出存储器数据输入系统核心系统核心：由组合逻辑和时序逻辑电路组成典型数字系统输入输出接口系统功能单元数字系统设计概述什么是数字系统？数字系统的基本组成传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法传统数字系统设计方法自下至上的设计方法

--对系统的功能进行细化，合理划分功能模块

--选择具体的元器件完成各个功能模块的逻辑电路设计

--将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计采用通用的逻辑元器件设计后期进行仿真和调试主要设计文件是电原理图数字系统设计概述什么是数字系统？数字系统的基本组成传统数字系统设计方法现代数字系统设计方法现代数字系统设计方法自上至下的设计方法--行为描述(对整个系统的数学模型的描述)--RTL描述，即寄存器传输描述，得到系统的逻辑表达式--逻辑综合(利用逻辑综合工具，将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件(门级网表))--实现(做成ASIC芯片或下载FPGA器件)可大量采用ASIC芯片或可编程逻辑器件系统早期仿真降低了硬件电路的设计难度主要设计文件是用HDL编写的源程序自上至下(TopDown)的设计方法

自上至下(TopDown)的设计方法是首先从系统设计入手的，因而从顶层进行功能划分和结构设计。

系统的总体仿真是顶层进行功能划分的重要环节，这时的设计是与工艺无关的。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次完成的，所以能够早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑仿真的工作量。自上至下(TopDown)的设计方法方便了系统级划分和管理整个项目，使得几十万门甚至